KR100611113B1

KR100611113B1 - 내구성이 우수한 절단 및 굽힘 가공용 공구

Info

Publication number: KR100611113B1
Application number: KR1020040040633A
Authority: KR
Inventors: 김강형
Original assignee: 김강형
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2006-08-14
Also published as: KR20040066748A

Abstract

본 발명은 금속, 목재, 섬유, 수지, 종이, 비닐, 플라스틱, 반도체 리드프레임, 인쇄회로기판, 전자재료, 고분자재료 등 다양한 소재의 피가공체를 절단, 전단, 스탬핑 및 굽힘가공 하는 칼날, 슬리터(slitter), 커터(cutter), 나이프(knife), 톱(saw), 펀치(punch) 등의 공구에 있어서, 상기 공구의 블레이드(blade) 엣지(edge)부 표면에 Fe-Cr-B 성분을 포함하는 코팅층을 형성하되 비정질 상을 가지게 함으로써 보다 내마모성이 우수하고 고인성, 고경도 및 저마찰계수를 실현하는 내구성이 우수한 가공 공구를 제공하는 데 있다.

절단공구, 전단공구, 스탬핑공구, 굽힘공구, 비정질, Fe-Cr-B

Description

내구성이 우수한 절단 및 굽힘 가공용 공구{wear-resistant cutting, and bending tools}

본 발명은 금속, 목재, 섬유, 수지, 종이, 비닐, 플라스틱, 반도체 리드프레임, 인쇄회로기판, 전자재료, 고분자재료 등 다양한 소재의 피가공체를 절단, 전단, 스탬핑 및 굽힘 가공 하는 칼날, 슬리터(slitter), 커터(cutter), 나이프(knife), 톱(saw), 펀치(punch) 등의 공구에 있어서, 상기 공구의 블레이드(blade) 엣지(edge)부 표면에 Fe-Cr-B 성분을 포함하는 코팅층을 형성하되 비정질 상을 가지게 함으로써 보다 내마모성이 우수하고 고인성, 고경도 및 저마찰계수를 실현할 수 있도록 한 내구성이 우수한 절단 및 굽힘 가공용 공구에 관한 것이다.

절단을 행하는 커팅 공구 중 나이프류로는 원형 톱, 원형 나이프, 슬리터 등이 있는데 이들을 좀더 상세히 분류하면, 각종 테이프나 고무벨트, 연질 PVC, 제지, 식품, 화장지, 비닐 등을 절단하는 원형 나이프, 필름, 테이프, 은박지, 컵지, 지관지, 동철판 등을 절단하는 슬리터 나이프, 농수산물 절단, 냉동식품 통조 림 가공 등의 절단에 사용하는 사이런트 커터, 반달 커터, 스프 나이프, 필로우 포장 나이프, 푸드 슬라이서가 있으며, 또 제지 및 펄프 절단용으로 사용하는 보텀 나이프, 톱 나이프, 독터 나이프, 화장지 커터, 펄프분쇄 나이프, 지관 나이프, 평 나이프 등이 있다. 그밖에 초경으로 제작된 초경 슬리팅 쏘우(slitting saw), 원형 칼날, T커터 및 기타 펀치와 각종 칼날 등이 있다.

이러한 커터, 슬리터, 나이프, 톱 등의 절단 공구는 마지막 순간에 가공 재료의 일정 부분을 잘라내어야 하기 때문에 공구의 재질이 가공의 효율성을 결정하는 가장 중요한 요소로 뽑힌다. 이때 가공 온도와 가공 속도는 공구의 재질에 가장 크게 영향을 미치는 데, 커팅 등 가공 온도가 높아지면 공구의 블레이드 엣지부 온도가 상승하여 공구가 빨리 마모 또는 마멸되어 공구의 수명이 짧아지고, 작업물의 열팽창 상승으로 인해 가공치수가 달라지는 등의 나쁜 결과를 초래하게 되며 마찬가지로 가공 속도를 빨리하면 온도 상승이 되어 같은 결과를 초래한다. 또 스탬핑 공구나 굽힘 공구 등 단기간에 많은 작업을 하여 작업효율을 높이기 위해서는 고속으로 작업을 수행해야 하는데 이를 위해서는 결국 공구의 경도와 취성이 작업효율의 중요한 변수가 되는 것이다.

특히 본 발명에서 다루고자 하는 공구, 즉 다양한 재료 중 가공하고자 하는 재료의 작업물을 반복해서 절단, 전단, 스탬핑, 굽힘을 해야 하는 공구에 있어서는 공구의 모재에서 블레이드부로 갈수록 점점 재질의 두께가 얇아지도록 되어 있어 과도한 작업을 할 경우 엣지부에 상당한 결손이 생기게 된다.

반도체 금형이나 패키징용 금형 작업에서는 SKD11 또는 SKH51, SKH53의 고속 도강을 사용하거나 여기에 추가로 크롬도금, TiN 코팅, TiCN 코팅, DLC 필름 코팅, DFC 코팅 등을 행하기도 하는데, 크롬 도금은 다른 금속과의 반응성이 높기 때문에 피가공체인 동합금, 철합금, 니켈합금 등과 반응할 경우 엣지부가 빨리 손상되어 공구의 수명이 짧아진다. TiN 코팅, TiCN 코팅, DLC 필름 코팅, DFC 코팅 등은 박막이면서 열전도성과 열팽창률이 모재인 금속부분과 크게 차이나 열과 충격에 약하고 냉각하지 않고 연속사용하는 용도에서는 내구성이 낮다. 예를 들어 반도체금형 중 패키징금형과 같이 150℃ 이상에서 연속사용하는 경우에는 금형재료와의 열팽창율 차이로 인해 부분적 박리가 일어난다. 또 플라스틱 팰릿 사출로드 가공용 칼날은 고속으로 회전하며 잘라내기 때문에 플라스틱과 첨가제로 발생하는 마찰열에 쉽게 무디어지는 단점이 있다. 현재 사용되는 마르텐사이트용 스테인리스강은 경도가 HRC 40~45에 불과하며 내식성은 다소 증가하지만 경도가 낮아 내구성이 부족하다. 고속도강은 HRC 60~62로 고경도이면서 내열성도 우수하지만 내식성과 인성이 부족하여 엣지부의 날 손상이 쉽게 일어난다. 또한 종이나 화장지를 절단하는 지관류나 라면봉지나 식품포장용 다층포장지를 절단하는 칼날도 마찬가지의 이유로 날 마모가 심한 단점이 있다.

따라서 블레이드 엣지부 결손을 방지하기 위해서는 엣지부 표면의 인성이 높아야 하고, 고온에서 경도를 유지할 수 있어야 하며, 낮은 마찰계수를 갖추어야 함은 물론 경도가 높아야 하며 동시에 파괴되지 않도록 인성을 가져야 한다. 또한 작업물과 공구의 블레이드 엣지부와의 마찰계수는 작아야 하며 과도한 연마가 생기지 않도록 내마모성을 유지해야 한다. 따라서 고경도이면서 내열성이 우수하고, 동시 에 충격과 진동에도 견딜 수 있는 충분한 인성 및 저마찰계수를 가지고 피가공체와 반응성이 낮은 공구가 필요하다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여 한국특허출원 제2003-7010144호에서는 다이아몬드에 약 25 내지 75 중량%의 은을 코팅한 공구를 제시하고 있으나, 이는 수지와 분말을 혼합하여 굳히는 것으로 매트릭스 재료가 수지여서 약하고, 내구성이 없다. 또한 한국특허출원 제2003-7008438호는 철-니켈계 바인더 상을 갖는 코팅된 절삭 공구 인서트를 제공하고 있는데, 탄화텅스턴계 초경합금 기판 및 코팅으로 구성되는 절삭 공구 인서트를 제공함에 있어서 35~65 중량%의 Fe, 35~65 중량 %의 Ni를 갖는 4~15 중량%의 바인더 상으로 구성된 공구를 보여준다. 그러나 이러한 방법은 초경을 소결로 제조하는 방법으로 제조방법이 복잡하고, 제조시간이 장시간 소요되는 단점이 있다.

한국특허출원 제2003-16342호는 내마모성 향상을 위하여 다단계 질화티타늄 박막을 제조하는 방법을 보여주고 있는데, 이 방법을 사용할 경우 박막의 속성상 충격을 받으면 쉽게 깨어지며, 공정이 복잡하고, 제조에 장시간이 소요되며, 공구수명이 짧고, 손상된 부분만 보수하는 것이 어렵다는 단점이 있다. 한국특허출원 제2002-32713호는 WC 초경합금으로 이루어진 기재에 0.05~0.5㎛ 두께의 비정질 카본막을 구비하는 것으로, 본 발명처럼 비정질 막을 구성하긴 하지만 탄화물을 만드는 것이어서 본 발명과는 상이한 것이며, 박막이어서 충격에 약하고, 손상 후에는 보수가 불가능한 단점이 있다.

미국특허 제RE29,989호는 레이저 블레이드나 나이프 등의 커팅 공구의 블레이드를 50%의 비정질로 구성하되 구성물은 M.sub.a X.sub.b, 로 이루어지는데 M은 천이금속인 Ni, Fe, Co, Cr, V 가운데 하나이며, X 는 P, B, C, Si, Al, Sb, Sn, In, Ge ,Be 가운데 하나로 이루어진다. 그리고 조성범위는 a 는 65 ~ 90 원자 %, b 는 10 ~ 35 원자 %로 이루어진다. 그러나 이 조성은 비정질로 구성되기는 하지만 비정질을 얻기 어려운 조성으로서 급냉에 의해 0.05mm두께의 리본상으로 얻거나 스퍼터링, CVD 등의 방법으로 박막을 입힌 것으로서 공구로서 필요한 두께를 만족하지 못하는 단점이 있다.

일본공개특허 제2001-303218호는 부식에 강하고 경도가 높은 Cr 함량이 5-30 at%인 Fe-Cr계 벌크 비정질 합금만을 제시하고 있다. 이는 공구로서 적용하기 위한 구체적인 수단을 불비하고 있다. 또 이 합금 조성으로서는 냉각속도가 늦어지거나 직경이 큰 제품에서는 충분하게 비정질상이 얻어지지 않아 취성이 강한 상이 혼재하는 단점이 있다.

한국특허출원 제2003-7011684호는 외과용 메스 등에 사용되는 날이 예리한 커팅 공구 및 이의 제조 방법에 관한 것으로 150옹스트롬 이하의 곡률인 예리한 날을 가지는 커팅 공구로 일부분이 벌크 비정질 합금 재료로 형성된 것을 특징으로 한다. 그러나 이것은 Zr-Ti-Be 주성분의 비정질합금으로서 날이 예리하고 강성은 우수하지만 낮은 인성과 탄성한계 때문에, 반복적인 커팅이나 금속절단과 같이 충격이 많은 작업을 행하는 공구로는 부적합하다.

한국특허출원 제2003-39449호는 육류와 식품을 절단하는 원형의 슬라이서 나 이프에 관한 특허인데, 제 1 재료로 제조된 내부 베이스부와 제 2 재료로 제조된 외부 에지부를 구비하며, 외부 에지부는 내부 베이스부에 금속 가공학적으로 결합된 것을 특징으로 한다. 그러나 이는 값비싼 코발트를 기본으로 하는 재료로서 제조원가가 높은 것 외에 용접으로 두 재료를 접합하는데 기술적으로 난이한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창출된 것으로서 금속, 목재, 섬유, 수지, 종이, 비닐, 플라스틱, 반도체 리드프레임, 인쇄회로기판, 전자재료, 고분자재료 등 다양한 소재의 피가공체를 절단, 전단, 스탬핑 및 굽힘 가공 하는 칼날, 슬리터(slitter), 커터(cutter), 나이프(knife), 톱(saw), 펀치(punch) 등의 공구에 있어서, 상기 공구의 블레이드(blade) 엣지(edge)부 표면에 Fe-Cr-B 성분을 포함하는 코팅층을 형성하되, 상기 코팅층이 비정질 상을 가지게 함으로써 보다 내마모성이 우수하고 고인성, 고경도 및 저마찰계수를 실현하는 내구성이 우수한 가공 공구를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속, 목재, 섬유, 수지, 종이, 비닐, 플라스틱, 반도체 리드프레임, 인쇄회로기판, 전자재료, 고분자재료 등 다양한 소재의 피가공체를 절단, 전단, 스탬핑 및 굽힘 가공 하는 칼날, 슬리터(slitter), 커터(cutter), 나이프(knife), 톱(saw), 펀치(punch) 등의 철 또는 동, 티타늄, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어진 가공 공구 블레이드(blade)의 엣지(edge)부 표면에, Fe-Cr-B 성분을 포함하는 코팅층을 형성하되 비정질 상을 가지게 함으로써 보다 내마모성이 우수하고 고인성, 고경도 및 저마찰계수를 실현하는 내구성이 우수한 가공 공구를 제공한다.

상기 Fe-Cr-B 성분을 포함하는 코팅층의 일 실시예를 상세하게 살펴보면, 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 5.0~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.5%이하 와 Ni, Cu, Mn, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W의 조성물을 5.0%이하로 단독 또는 혼합 첨가하고, 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성되는 조성물질로 이루어진다.

또한 본 발명에서는 극심한 연삭마모 환경에 대해서 용사재료에 WC, TiC, TaC와 같은 탄화물 입자를 0~40 중량% 단독 또는 혼합 첨가하여 용사함으로써 비정질상과 탄화물 혼합상을 형성하여 초경입자를 통한 내마모성 향상이 이루어진다.

본 발명의 코팅 조성물은 크롬(Cr)과 철(Fe)의 고용체에 보론(B)이 과량으로 함유되어 있으나, 냉각 중의 급냉 효과로 미처 석출하지 못하는 금속간 화합물들이 비정질상(amorphous)으로 존재하게 된다. 이 상은 결정조직에 비해 고강도를 나타 내고 결정입계가 없고, 높은 Cr함량으로 내식성이 우수한 특징이 있다. 본 발명은 고용체에 함유된 과포화 보론으로 인해 고경도를 나타내며, 표면에 연마와 같은 공정을 통해 응력을 가하면 응력유기변태를 일으켜 미변태 비정질상이 비정질로 변태하면서 경도가 추가로 상승하는 현상이 있다. 따라서 연마표면에서는 HV 1200을 넘는 고경도로 상승하게 된다. 또한 본 발명에서 채용하는 용사법은 코팅공정 중에 재료의 온도를 크게 상승시키지 않고 표면온도를 200℃ 이하에 머물도록 제어하기가 쉬워 공구류의 변형을 억제할 수 있는 이점이 있다. 칼날과 같이 얇고 긴 재료라도 코팅을 하기 전에 재료의 밑면에 열전달이 잘되는 금속판을 덧대고 코팅하면 냉각이 빨리되고 균일하게 냉각할 수 있어 변형예방이 가능하다.

이하에 본 발명의 구성에 대해 성분조성의 범위를 살펴본다. 제1발명을 살펴보면, Cr은 내식성과 내마모성을 향상시키기 위한 중요한 원소이며, Fe와 금속간화합물에 해당하는 상을 이루어 급냉 중에 비정질상 형성이 용이하도록 한다. 40.0% 미만에서는 γ상이 나타날 수 있고, 50.0%를 초과하면 잉여 Cr이 분리되어 비정질상 형성을 방해할 수 있어 제한한다. 바람직하기로는 43.0~46.0%로 조성하는 것이 비정질상을 얻기가 용이하다.

B 은 본 발명에서 가장 중요한 비정질상 형성 원소이다. Fe 및 Cr과 쉽게 결합하여 금속간화합물을 형성하는 원소로서 비정질상을 형성하기 위한 요건을 잘 갖춘 원소이다. B이 함유된 Fe-Cr합금을 응고 중에 급냉하면 금속간화합물을 형성하지 못하고 비정질상으로 변태하게 된다. 그러나 5.0% 미만에서는 γFe나 αFe가 나 타나면서 비정질상 형성을 방해할 수 있으므로 제한한다. 그리고 6.5%를 초과하면 잉여의 B이 취약한 금속간화합물을 형성하게 되므로 제한한다. 바람직하기로는 5.6~6.2%로 조성하는 것이 비정질상 형성이 용이하다.

Si은 기지의 고용 강화와 코팅 중에 발생하는 산소와의 접촉에서 고온산화를 억제하며 기지 조직을 강화할 뿐 아니라 B과 다른 원소들의 고용도를 높이는 효과를 위해 첨가한다. 0.5% 미만에서는 효과가 없고, 5% 이상에서는 ε상이나 η상이 나타날 수 있어 억제한다. 바람직하기로는 1.75~2.25%로 조성하는 것이 비정질상 형성이 용이하면서 기지를 강화하고 산화를 억제하는 효과가 있다.

C은 기지 조직을 강화하고 B, Cr등과 복탄화물을 만들어 내마모성을 향상시키는 효과가 있어 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나 0.5% 이상에서는 코팅 후 냉각 중에 균열을 유발할 수 있으므로 억제한다.

Cu는 합금을 저융점화하여 융착이 잘 되게 하고 접합성을 높이는 효과가 있어 필요시 첨가한다. 그러나 5.0%를 초과하면 편석되거나 내식성 저하의 원인이 되므로 제한한다.

Ni, Mn, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W은 B나 C와 결합하여 탄붕화물을 형성함으로써 기지 조직을 강화하고, 스폴링(spalling), 피팅(pitting), 치핑(chipping)과 같은 열피로에 대한 저항성이 높아지는 효과로 필요시 5.0% 이하로 첨가한다. 이를 초과하면 고용한도를 넘어 비정질상 형성을 해치는 효과가 있어 제한한다.

삭제

이하 본 발명의 조성을 금속판재 전단용 칼날에 적용한 실시예를 설명하면 하기와 같다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

두께 15mm, 폭 70mm, 길이 170mm인 S45C 중탄소강을 길이 방향으로 폭 25mm로 경사 절삭하여 날을 형성하고 사선 방향의 반대편인 평면부에는 0.25mm깊이로 단차를 주어 평면 절삭하였다. 평면부에는 Cr 45%, B 6.0%, Cu 1.5%, Si 2.1%, C 0.07%, 나머지 Fe인 조성의 분말을 HVOF법으로 용사코팅하여 0.28mm 두께의 코팅층 을 형성하였다. 코팅층은 다시 알루미나 연삭숫돌로 연마하여 원래의 평면부와 동일한 높이가 되게 하였다. 이를 이용하여 SKD11종으로 제조한 같은 형상의 칼날과 자동차용 고장력강판 (SPFC440)에 전단시험한 결과 본 발명의 칼날이 1.7배의 수명을 나타내었다. SKD11종은 연속전단시 연마교정없이 약 17,000회를 사용하였으나 본 발명의 칼날은 약 29,000회를 사용할 수 있었다.

상기와 같이 본 발명으로 구성되는 절단 및 굽힘 공구는 몸체가 되는 금속의 내마모성이 낮으므로 사용 중에 표면 부분은 남고, 뒷면의 몸체 금속만 마모되므로 저절로 날이 서는 셀프샤프닝(Self sharpening) 효과로 인한 뛰어난 내마모성이 일반 철의 1/3 수준이며, 주철보다 윤활성이 좋음으로 인한 저마찰계수, 230℃온도로 연속 절단해도 내구성을 유지하는 고 내열성, 450℃ 온도 아황산가스, 염소가스 분위기에서도 부식되지 않는 내식성과 변형저항성, 연삭마모와 스커핑 마모에 대한 저항성 및 연마 중에 응력유기변태로 경도가 상승함으로 인한 내구성, 강인하면서도 연마가공이 용이하며 연마 후에도 계속 경도가 증가함으로 인하여 공구의 수명이 증가하고 절단의 정밀도도 현저히 향상되는 뛰어난 효과가 있는 것이다.

Claims

철 또는 동, 티타늄, 알루미늄 또는 그들의 합금으로 이루어진 금속을 본체로 사용하는 절단 및 굽힘가공용 공구에 있어서, 상기 공구의 블레이드 엣지부 표면 위에, 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 5.0~6.5%, Si 0.5~5.0%, C 0.5%이하, Ni, Mn, Mo, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W를 단독 또는 복합첨가하여 5.0%이하, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성되는 Fe-Cr-B 조성물로 이루어진 용사재료를 사용하여 HVOF법에 의해 용사코팅함에 따라 비정질 용사코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 절단 및 굽힘 가공용 공구.
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